樂曲硬件演奏電路的畢業(yè)設(shè)計(jì)

EDA設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程論文題目樂曲硬件演奏電路的設(shè)計(jì)學(xué)院通信學(xué)院專業(yè)班級(jí)通信081班學(xué)生姓名DABINGE指導(dǎo)教師大力會(huì)2013年4月17日摘要本文論述了利用QUARTUSII軟件設(shè)計(jì)樂曲硬件演奏電路的基本原理、過程及結(jié)果。通過QUARTUSII軟件仿真后，進(jìn)行了硬件實(shí)驗(yàn)，并獲得了成功。本設(shè)計(jì)中的樂曲演奏電路，能夠自動(dòng)播放編寫好的音樂，并將音樂通過實(shí)驗(yàn)箱上的揚(yáng)聲器播放出來，用發(fā)光二級(jí)管顯示出所選樂曲的編號(hào)。關(guān)鍵詞QUARTUSII軟件仿真硬件實(shí)驗(yàn)揚(yáng)聲器ABSTRACTTHISARTICLEDISCUSSESTHEUSEOFSOFTWAREDESIGNQUARTUSIIMUSICPLAYINGHARDWARECIRCUITOFTHEBASICPRINCIPLES,PROCESSESANDOUTCOMESBYQUARTUSIISOFTWARESIMULATION,HARDWAREEXPERIMENTSCARRIEDOUTANDHAVEBEENSUCCESSFULTHEDESIGNOFTHEMUSICCONCERTCIRCUIT,WHICHCANAUTOMATICALLYWRITEGOODMUSICPLAYING,ANDTHEMUSICBOXONTHEBUZZERTHROUGHEXPERIMENTSPLAYOUT,WITHALIGHTEMITTINGDIODEDISPLAYTHESELECTEDSONGNUMBERKEYWORDSQUARTUSIISOFTWAREEMULATIONHARDWAREEXPERIMENTBUZZER目錄摘要IABSTRACTII目錄III第1章緒論111概述112樂曲演奏電路的原理1121音調(diào)的控制1122音符頻率的獲得1123音長的控制1124樂曲節(jié)奏的控制1125樂譜的發(fā)生1第2章總流程圖4第3章設(shè)計(jì)模塊221主系統(tǒng)2221主系統(tǒng)工作原理1221音調(diào)的控制1221音調(diào)的控制123223122322結(jié)論8參考文獻(xiàn)9附錄10致謝11第1章緒論11概述樂曲演奏電路，能夠自動(dòng)播放編寫好的音樂，并將音樂通過實(shí)驗(yàn)箱上的蜂鳴器播放出來，用發(fā)光二級(jí)管顯示出所選樂曲的編號(hào)。12樂曲演奏電路的原理組成樂曲的每一個(gè)音符的頻率值（音調(diào)）及其持續(xù)的時(shí)間（音長）是樂曲能連續(xù)演奏所需的兩個(gè)基本書記，因此只要控制輸出到揚(yáng)聲器的激勵(lì)信號(hào)頻率的高低和持續(xù)的時(shí)間，就可以使揚(yáng)聲器發(fā)出連續(xù)的樂曲聲。121音調(diào)的控制簡(jiǎn)譜中音名與音頻的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下音名頻率/HZ音名頻率/HZ音名頻率/HZ低音126163中音153225高音1104650低音229367中音258733高音2117466低音332963中音365925高音3131851低音434923中音469846高音4139692低音539199中音578399高音5156798低音6440中音6880高音61760低音749388中音798776高音7197552表1中僅列出了低音、中音和高音的頻率，對(duì)于比低音低八度或者比高音高八度的音，可依據(jù)2倍規(guī)則很容易求出。所謂2倍規(guī)則，是指中音1是低音1頻率的2倍，高音1是中音1頻率的2倍，以此類推。簡(jiǎn)譜中音頻和分頻預(yù)制數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下音名分頻系數(shù)初始值音名分頻系數(shù)初始值音名分頻系數(shù)初始值低音17644547中音138224369高音119116280低音268101381中音234054786高音212706921低音360672124中音330345157高音315176674低音457272464中音428645327高音414326759低音551023089中音525515640高音512566935低音645453646中音622735918高音611377054低音740504141中音720256166高音710137178122音符頻率的獲得多個(gè)不同頻率的信號(hào)可通過對(duì)某個(gè)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行分頻器獲得。由于各個(gè)音符的頻率多為非整數(shù)，而分頻系數(shù)又不能為小數(shù)，故必須將計(jì)算機(jī)得到的分頻系數(shù)四舍五入取整。若基準(zhǔn)頻率過低，則分頻系數(shù)過小，四舍五入取整后的誤差較大。若基準(zhǔn)頻率過高，雖然可以減少頻率的相對(duì)誤差，但分頻結(jié)構(gòu)將變大。實(shí)際上應(yīng)該綜合考慮這兩個(gè)方面的因素，在盡量減少誤差的前提下，選取合適的基準(zhǔn)頻率。本設(shè)計(jì)中選取1MHZ的基準(zhǔn)頻率。數(shù)控分頻器采用12位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，樂曲中的休止符，只要將分頻系數(shù)設(shè)為0，即初始值4095，此時(shí)揚(yáng)聲器不會(huì)發(fā)聲。根據(jù)分頻系數(shù)，可計(jì)算數(shù)控分頻器得到的初始值。（語言已經(jīng)無法描述其中的原理了，程序可以說明此問題，關(guān)于初始值的解釋，請(qǐng)看下文給出的程序）初始值的計(jì)算公式如下由于所設(shè)計(jì)的數(shù)控分頻計(jì)采用12MHZ作為時(shí)鐘源，并通過一次12分頻給出頻率為1MHZ的脈沖溢出信號(hào)，再對(duì)該1MHZ的溢出信號(hào)進(jìn)行12位2進(jìn)制碼的帶預(yù)置數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并給出一個(gè)頻率隨預(yù)置數(shù)變化的脈沖信號(hào)。由于該脈沖信號(hào)不具有驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的能力，故對(duì)此脈沖信號(hào)進(jìn)行2分頻以推動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，故最終輸出信號(hào)的頻率與預(yù)置數(shù)的關(guān)系如下其中為音階對(duì)應(yīng)的頻率。MF123音長的控制音樂中的音除了有高低之分外，還有長短之分。如何記錄音的長短呢簡(jiǎn)樸中用一條橫線“”在音符的右面或者下面來標(biāo)注音的長短。下表列出了常用音符和它們的長度標(biāo)記。音符名稱寫法時(shí)值全音符5四拍（可設(shè)為1S）二分音符5二拍四分音符5一拍八分音符5半拍十六分音符四分之一拍三十二分音符八分之一拍從表中可以看出橫線有記在音符后面的，也有記在音符下面的，橫線標(biāo)記的位置不同，倍標(biāo)記的音符的時(shí)值也不同。從表中可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律要是音符時(shí)值延遲，在四分音符右邊家橫線“”，這時(shí)橫線叫做延時(shí)線。延時(shí)線越多，音持續(xù)的時(shí)間（時(shí)值）越長。記在音符右邊的小圓點(diǎn)稱為附點(diǎn)，表示增加前面音符時(shí)值的一半，帶附點(diǎn)的音符叫做附點(diǎn)音符。例如四個(gè)浮點(diǎn)音符555，八分附點(diǎn)音符55。音樂中除了有音的高低長短之外，也有音的休止。表示聲音休止的符號(hào)叫做休止符，用“0”標(biāo)記。每增加一個(gè)0，就增加1個(gè)四分休止符的時(shí)值。124樂曲節(jié)奏的控制一般樂曲最小的節(jié)拍為1/4拍，若將1拍的時(shí)間定為1秒，則只需要輸出4HZ的14拍的時(shí)長（025秒），對(duì)于其它占用時(shí)間較長的節(jié)拍（必為1/8拍的整數(shù)倍）則只需要將該音符連續(xù)輸出相應(yīng)的次數(shù)即可。計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)作為輸出音符快慢的控制信號(hào)，時(shí)鐘快時(shí)輸出節(jié)拍速度就快，演奏的速度也就快，時(shí)鐘慢時(shí)輸出節(jié)拍的速度就慢，演奏的速度自然降低，由于最后的蜂鳴器前需加一個(gè)二分頻的程序，因此計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)為4HZ的2倍，即8HZ。125樂譜的發(fā)生本設(shè)計(jì)將樂譜中的音符數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在LPMROM中，若某音在邏輯中停留了4個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，即1秒的時(shí)間，相應(yīng)地，該音符就要在LPMROM中連續(xù)的四個(gè)地址上都存儲(chǔ)。當(dāng)一個(gè)8HZ的時(shí)鐘來時(shí)，相應(yīng)地就從LPMROM中輸出一個(gè)音符數(shù)據(jù)。第2章工作流程總工作流程圖該工程由是個(gè)模塊構(gòu)成，其中有四個(gè)為樂譜儲(chǔ)存模塊ROM，如圖所示。分頻器的功能是將芯片上提供的50MHZ的時(shí)鐘分頻為12MHZ和8HZ的時(shí)鐘，分別供計(jì)數(shù)器與分頻驅(qū)動(dòng)器（數(shù)控分頻器）使用。計(jì)數(shù)器完成計(jì)數(shù)功能,183進(jìn)制（最長的歌曲菊花臺(tái)有183個(gè)字符）每個(gè)時(shí)鐘沿加一。四個(gè)音樂模塊分別記錄了4首歌的樂譜。根據(jù)上一模塊計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)讀取相應(yīng)地址里的數(shù)據(jù)傳遞給下一模塊。選擇器完成選擇歌曲的功能。數(shù)據(jù)翻譯模塊將選擇器所選擇的歌曲ROM里的地址的數(shù)據(jù)翻譯成分頻驅(qū)動(dòng)器（數(shù)控分頻器）分頻所需的控制數(shù)據(jù)以及譯碼器所需的數(shù)據(jù)。分頻驅(qū)動(dòng)器也就是一個(gè)數(shù)控分頻器，完成分頻的功能，并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。撥動(dòng)開關(guān)同時(shí)還控制2個(gè)LED燈，表示所選曲目的序號(hào)第3章設(shè)計(jì)模塊31主系統(tǒng)工作原理主系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成，圖1為頂層設(shè)計(jì)文件，其內(nèi)部有3個(gè)功能模塊TONETABAS、NOTETABS和SPEAKERA。圖1與利用微處理器（CPU或MCU）來實(shí)現(xiàn)樂曲演奏相比，以純硬件完成樂曲演奏電路的邏輯要復(fù)雜得多，如果不借助功能強(qiáng)大的EDA工具盒硬件描述語言，僅憑傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯技術(shù)，即使最簡(jiǎn)單的演奏電路也難以實(shí)現(xiàn)。本例實(shí)現(xiàn)的樂曲演奏電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，在圖1宗，模塊U1類似彈琴的人的手指；U2類似于琴鍵；U3類似于琴弦或者音調(diào)發(fā)生器。311音符的頻率音符的頻率可以由圖1的SPEAKERA模塊獲得。他是一個(gè)數(shù)控分頻器，有其CLK端輸入一具有較高頻率（這里是12MHZ）的信號(hào)，通過SPEAKERA分頻后由SPKOUT輸出。由于直接從數(shù)控分頻器中出來的輸出信號(hào)時(shí)脈寬極窄的脈沖式信號(hào)，威力有利于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，需要另加一個(gè)D觸發(fā)器均衡其占空比，但這時(shí)的頻率將是原來的1/2SPEAKERA對(duì)CLK輸入信號(hào)的分頻比由11位預(yù)置數(shù)TONE100決定，SPKOUT的輸出頻率將決定每一音符的音調(diào)。這樣，分頻計(jì)數(shù)器的預(yù)置值TONE100與SPKOUT的輸出頻率就有了對(duì)應(yīng)關(guān)系。錄入在TONETABA模塊中若取TONE1001036，將發(fā)音符位“3”音的信號(hào)頻率。312音符的持續(xù)時(shí)間音符的持續(xù)時(shí)間須根據(jù)樂曲的速度及每個(gè)音符的節(jié)拍來確定，圖1中模塊TONETABA的功能首先是SPEAKERA提供決定所發(fā)音符的分頻預(yù)置數(shù)，而此數(shù)在SPEAKERA輸入口停留的時(shí)間即為此音符的節(jié)拍值。模塊TONETABA樂曲簡(jiǎn)譜碼對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查表電路，其中設(shè)置了高音、中音、低音全部音符所對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)，工13個(gè)，每一音符的停留時(shí)間由音樂節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器模塊NOTETABAS的CLK的輸入頻率決定，這里為4HZ。這13個(gè)值的輸出有對(duì)應(yīng)與于TONETABA的4位輸入值INDEX30確定，而INDEX30最多有16種可選值。TONEINDEX30輸向TONETABA中的INDEX30，其值與持續(xù)時(shí)間由模塊NOTETABS決定。313樂曲發(fā)生在NOTETABS中設(shè)置了一個(gè)9位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（計(jì)數(shù)最大值為512），作為音符數(shù)據(jù)ROM的地址發(fā)生器。這個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率為4HZ，即每一計(jì)數(shù)值的停留時(shí)間為025S，恰為當(dāng)全音符設(shè)為1S時(shí)，四四拍的四分音符的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)NOTETABAS中的計(jì)數(shù)器按4HZ的始終速率作加法計(jì)數(shù)（即地址值遞增）時(shí)，音符數(shù)據(jù)ROM中的音符數(shù)據(jù)從ROM中通過TONEINDEX30端口輸向NOTETABS模塊，樂曲就開始連續(xù)自然的演奏起來了。須定制NOTETABAS模塊中的音符數(shù)據(jù)ROM“MUSIC”。最后對(duì)該ROM進(jìn)行仿真，確認(rèn)音符數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)入ROM中。32LPM_ROM的定制首先新建TEXTFILE,文件，將寫好的樂曲代碼復(fù)制進(jìn)去，保存為MIF文件。然后新建BDF文件，在總的工程圖上添加ROM模塊如下圖模塊的名字，起歌曲的名字，便于調(diào)用。四首樂曲分別為菊花臺(tái)、世上只有媽媽好、隱形的翅膀和一剪梅。其中菊花臺(tái)的波形圖如下運(yùn)行后的MIF文件如下JHTMIFYXDCBMIF選取位寬為5，以符合本工程的需要。完成后將4個(gè)樂曲ROM連接組成MUSIC模塊如下圖32數(shù)控分頻器（SPEAKERA）下圖為數(shù)控分頻器模塊的內(nèi)部原理圖33數(shù)據(jù)翻譯模塊（TONTABA）將選擇器所選擇的歌曲ROM里的地址的數(shù)據(jù)翻譯成分頻驅(qū)動(dòng)器（數(shù)控分頻器）34數(shù)據(jù)選擇模塊（NOTETBAS）數(shù)據(jù)選擇模塊根據(jù)撥動(dòng)開關(guān)SEL0，SEL1的撥動(dòng)情況判斷所選曲目，將選通信號(hào)輸送給ROMMUSIC，從而將曲目的信息輸送給下一模塊TON